三自由度轉臺的設計與實現

摘 要：基于MSP430F149單片機設計了一種三自由度轉臺系統。在該系統中，利用旋轉編碼器的信息反饋，通過對電機的閉環控制，使三自由度轉臺能夠模擬飛機的飛行姿態。實驗證明：系統能平穩、精確地按照任意給定的位置信息轉動，動態性能良好，系統穩定性和抗干擾能力強。

關鍵詞：三自由度轉臺； MSP430單片機； 模糊控制; PID控制

中圖分類號：TN820.8-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0135-02

Design and Realization of Three-axis Table

LI Yue

(Ordnance Engineering College， Shijiazhuang 050003， China)

Abstract： A three-axis table based on Single-chip Microcomputer MSP430F149 is designed. In this system， using the feedback signal of Rotary Encoder and performing close-loop control of motor to make the three-axis table can imitate fly carriage of plane. The experiment confirms that the system can rotate steadily and accurately according to arbitrarily position signal， who has good dynamic state capability， stable system and strong anti-jamming capability.

Keywords： three-axis table; MSP430 single-chip microcomputer; fuzzy control; PID control

0 引 言

三自由度飛機飛行姿態模擬實驗臺是集機械技術、控制技術和傳感器檢測技術、計算機技術于一體的綜合性測試設備。它作為一種空間運動機構是飛機進行動態性能測試的關鍵設備，主要用于模擬飛機的運動姿態，為飛機提供一個非常接近實際的模擬環境，在模擬條件下對飛機的飛行姿態進行實驗研究和性能考察，在國防和民用中都有很高的應用價值。

本文基于MSP430控制核心設計了一種三自由度模擬實驗臺，并完成了給定的任務要求。

1 體統總體方案

該系統主要由MSP430控制核心、電源管理模塊、電機控制模塊以及無線通信模塊組成，其結構框圖如圖1所示。

轉臺的實時位置由旋轉編碼器反饋送入微處理器進行處理。步進電機采用PID算法進行調節，而直流無刷電機采用模糊控制算法。軟件設計中實時采集編碼器的反饋信息，實現整個系統的閉環控制。

2 系統硬件設計

系統的硬件主要包括：主控電路、電源管理電路、電機驅動器和無線通信電路幾部分，其系統結構如圖2所示。

2.1 MSP430主控電路

系統的核心控制采用TI公司的MSP430系列單片機MSP430F149，其主要特點是高度的功能集成，易于擴展，內部集成看門狗定時器、且自帶捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A和Timer_B支持PWM輸出功能以及具有超低功耗等特點，片上集成60 KB的FLASH存儲器和2 KB的RAM同時提供256 B的信息FLASH，64腳方形扁平封裝。此單片機還可以串行在線編程，無需外部編程電壓。系統I/O口具體分配如下：P1口用于接收旋轉編碼器的反饋信號；P2口為中斷口；P4用于驅動直流無刷電機的PWM信號輸出；P5口用于驅動步進電機的方波信號輸出；P6用于電機驅動器的控制信號輸出。

2.2 電源管理電路

整個系統包含3.3 V，5 V，12 V，24 V四個電壓環境。其中，3.3 V給單片機系統供電，5 V給旋轉編碼器供電，12 V直接由交直流變壓器引出給驅動電路供電，24 V直接由交直流變壓器引出給電機供電。5 V由12 V通過HDW20-12S05電源模塊得到，如圖3所示。3.3 V由5 V通過AMS1117芯片得到，電路如圖4所示。

2.3 電機驅動器

步進電機驅動器采用2605AD驅動器。2605AD為一款等角度恒力距細分型驅動器，驅動電壓DC 24~60 V，適配電流在5.0 A以下、外徑為57~86 mm的各種型號的二相混合式步進電機。該驅動器內部采用類似伺服控制原理的電路，此電路可以使電機低速運行平穩，幾乎沒有震動和噪音，電機在高速時力矩大，定位精度最高可達25 600步/轉。

直流無刷電機采用控制驅動器，該驅動器為閉環速度型控制器，采用IGBT和MOS功率器，利用直流無刷電機的霍爾信號進行倍頻后進行閉環速度控制，控制環節沒有PID速度調節器，系統控制穩定可靠，尤其是在低速下總能達到最大轉矩，速度控制范圍為150 r/s~額定轉速。

2.4 無線通信電路

通過串口驅動電路中的RS 232電平轉換芯片，可以實現單片機和PC機之間的通信，建立人-機對話活動的通道。桑銳公司生產的SRWF-1型無線通信模塊工作性能穩定，體積小便于安裝。利用MAX3232芯片，能夠完成TTL電平和RS 232電平之間的轉換，實現通信模塊與PC機進行串口通信。其電路原理圖如圖5所示。

3 控制策略

3.1 步進電機控制策略

常規PID控制器具有算法簡單、穩定性好、可靠性高的特點，價值設計容易、適應面寬，是過程控制中應用最廣泛的一類基本控制器。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產中是絕對不允許的。積分分離控制室當被控制量與設定值偏差較大時，取消積分作用；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。根據三自由度轉臺的實際情況，在積分分離PID控制算法的基礎上進行算法的改進，結合增量式PID控制算法進行電機的控制，實驗得到了很好的控制效果。

3.2 直流無刷電機控制策略

模糊PID控制器的原理是把輸入PID調節器的偏差e和偏差變化率ec同時輸入到模糊控制器中。圖中的F控制器實際上是由三個分模糊控制器組成的，分別對三個參數進行調節，然后分別經過模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量分別輸入PID調節器中，對三個系數進行實時在線修正，從而使被控對象具有良好的動態和靜態性能。

4 結 論

本文以MSP430F149單片機為主控芯片，步進電機和直流無刷電機為驅動元件，通過軟件編程，制作了一臺精度相對較高的三自由度轉臺。經過對轉臺的旋轉控制，證明轉臺能平穩、精確地按照任意給定的位置信息轉動，動態性能良好，系統穩定性和抗干擾能力強。

三自由度轉臺不僅在航空、航天和航海等國防軍事領域中有很高的應用價值，而且在民用領域也有非常廣泛的應用前景，但是要達到人們要求的高精度、高智能化還有很長的路要走，需要堅持不懈的探索和研究。

參 考 文 獻

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作者簡介： 李 躍 男，1986年出生，山西忻州人，在讀碩士研究生。主要從事通信與信息系統方面研究。